结构不规则性

结构不规则性（精选10篇）

结构不规则性 篇1

摘要：本文主要是通过实例对平面不规则的建筑结构进行了详细的抗震设计分析, 并列出了多项结构指标的对比结果, 提出了相应的抗震加强措施。

关键词：抗震设计,加强措施

引言

建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性, 重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响, 宜择优选用规则的形体, 其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。

平面不规则对于结构抗震性能是很不利的, 本文所列项目为一平面呈L型布置的不规则结构, 该项目地下4 层, 地上22层, 主屋面建筑高度90.3m, 其中裙房4 层, 屋面建筑高度19.5m, 5～22层塔楼平面呈L型布置, 结构平面如图1, 属于平面不规则的超限高层结构。

1 超限情况分析

本工程结构不规则项有:扭转不规则 (考虑偶然偏心扭转位移比1.36>1.2) ;平面凹凸不规则 (标准层最大偏心率0.23>0.15) ;竖向尺寸突变 (6 层相对5层水平尺寸缩进60%>25%, 且5层楼面高度占总高度的22%>20%) 共3项, 无特别不规则项, 属于超限高层建筑。

2 结构抗震性能目标

由于本工程高度远小于规范A 级高层高度限值;仅有超过规范中不宜条款的情况, 未有超过规范不应条款的情况;所处地区抗震烈度为7 度, 不属于高烈度地区, 因此设定本项目抗震设防目标为C级。具体抗震分析中要求达到以下目标:

(1) 在小震作用下, 要求全部构件的抗震承载力满足弹性设计要求。结构层间位移角小于1/800, 全部构件承载力及结构抗震承载力满足规范要求。

(2) 在中震作用下采用弹性反应谱法进行屈服承载力设计。计算结果要求所有竖向构件满足中震不屈服要求, 所有构件受剪截面满足VGE+VEK≤0.15Fckbh0要求, 最大弹性层间位移角不超过1/400。

(3) 在大震作用下采用弹性反应谱法进行屈服承载力设计。计算结果要求塔楼凸出端角柱满足大震不屈服要求, 所有构件受剪截面应满足VGE+VEK≤0.15Fckbh0要求, 最大弹性层间位移角约为1/200。

(4) 另需采用静力弹塑性法进行大震验算, 要求弹塑性层间位移角小于1/100, 构件屈服顺序需满足先耗能构件后竖向构件的要求, 同一楼层不得大部分竖向构件出现塑性铰。

3 结构抗震等级

本工程抗震设防烈度为7度, 设计基本地震加速度值为0.10g, 设计地震分组为第三组, 特征周期值为0.45s。

本工程属于A 级高层, 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》表4.8.2并考虑负3 层～4 层乙类建筑抗震等级提高一级, 以及特殊部位竖向构件的加强, 确定各楼层构件抗震等级分别如下:负4 层～4 层框架、剪力墙为一级;5 层～天面框架、剪力墙为二级;3、4 层柱为特一级, 5、6层柱为一级。

4 上部楼层结构分析及结果

4.1 分析方法与计算内容

本工程分别采用SATWE及GSSAP软件进行了结构弹性分析, 计算中考虑了不同水平作用角度对结构性能的影响。采用SATWE进行中、大震不屈服验算和弹性时程分析;采用EPDA进行弹塑性静力Pushover验算;在计算中对结构分别按照水平作用正交和斜向施加计算了各项指标。

4.2 周期结果分析

由表1可见, 两者计算结果第1、2周期均为平动周期, 第3周期为扭转周期。扭转周期与第1平动周期之比为0.807<0.85 (限值) 。两方向的平动周期较为接近, 说明其运动性能较为接近。

4.3 水平位移

由表2可见, 在各种水平荷载作用下, 最大弹性层间位移角均满足规范要求。部分工况下楼层最大位移与平均位移的比值虽大于1.2但均小于1.4。

4.4 层间刚度比及抗剪承载力比

本工程的侧向刚度随楼层数增加而均匀减小 (图略) , 仅由于首层层高6m, 高于上部4.5m;5层层高4.5m, 高于上部3.9m, 故其侧向刚度小于上部楼层。在各工况中, 首层刚度最小为上1层的79%, 为上3层平均刚度的84%;5层刚度最小为上1层的91%, 为上3层平均刚度的97%;首层抗剪承载力最小为上1层的95%, 5层为上1层的96%, 均满足规范要求。

4.5 反应谱法其余主要计算结果

由表3可知, 计算时所选振型数满足规范要求, 剪重比均大于1.6%, 可不另作楼层地震剪力调整。刚重比大于1.4, 可通过整体稳定验算, 且由于该值大于2.7, 可不考虑重力二阶效应。框架所承担的最大倾覆弯矩比例小于50%, 底层框架承担的倾覆弯矩为45.6%, 说明本工程结构布置的剪力墙数量较为合理, 两程序在底部剪力及底部倾覆弯矩较接近, 说明其计算结果可互相印证。

4.6 弹性时程分析

计算时选取了1条程序所提供的二类场地人工波数据以及2组天然波数据, 经比对该3组波的计算结果, 均符合《高规》3.3.5条要求。

4.7 大、中震不屈服验算

在中震不屈服验算中, 竖向构件未发生破坏现象, 小部分水平构件发生受弯破坏, 最大层间位移角1/485;在大震不屈服验算中, 负4层～21层局部墙柱发生受弯破坏, 负1层至屋面层有较多梁发生受弯破坏, 最大层间位移角1/229, 满足性能设计目标。其中, 在中震作用下部分剪力墙端柱产生拉力, 对该部分剪力墙端柱按特一级采取构造措施。

4.8 Pushover及中震、大震不屈服验算

计算中分别按照X、Y向进行了大震推覆验算。由表4可见, 各方向推覆性能点对应的最大层间位移角均小于大震层间位移角限值1/100, 说明该结构体系满足大震不倒的抗震设防目标。

(1) 在X向推覆过程中, 于11步5层连梁首先出铰, 于12步首层框架梁端出铰, 于42步达到结构性能点, 于60步首层柱端出铰;

(2) 在Y向推覆过程中, 于11步5层连梁首先出铰, 于16步首层框架梁端出铰, 于33步达到结构性能点, 于65步首层柱端出铰;

(3) 在45°推覆过程中, 于11步5层连梁首先出铰, 于13步首层框架梁端出铰, 在28步达到结构性能点, 于62步首层柱端出铰;

(4) 在135°推覆过程中, 于11步5层连梁首先出铰, 于11步首层框架梁端出铰, 于38步达到结构性能点, 于58步首层柱端出铰。

4.9 计算结果综述

通过运用SATWE和GSSAP进行计算对比, 发现虽具体计算数值存在差异, 但两程序所反映的结构扭转性能、竖向刚度及抗剪承载力变化规律均相同;周期以及底部剪力、底部倾覆弯矩、结构总质量等指标均较接近;所表现出的差异情况均可从其力学模型和计算假定的不同上得出合理解释。因此可以认为两软件可相互印证和校正, 达到了“采用两个不同力学模型的结构分析软件进行整体计算”的目的。

5 主要抗震加强措施

(1) 所有竖向构件按照中震不屈服设计

(2) 塔楼凸出端角柱按照大震不屈服设计

(3) 塔楼阴角处楼板以及5层全层楼板均加厚至150mm, 双层双向配筋, 配筋率大于0.25%。

(4) 某些楼层柱的抗震等级提高一级, 3、4层柱为特一级, 5、6层柱为一级。

(5) 保证6层的层间位移角不大于5层的1.15倍。

(6) 剪力墙由基础至3层均视为底部加强区, 同时负4层和首层柱分别按底层柱相应的加强措施来设计, 首层梁、板、负1层柱按规范对嵌固层位于地下室顶板的情况采用相应的加强措施。

(7) 各层地下室的抗震等级均按上部结构确定。

(8) 选取的振型数应使振型参与质量大于95%, 以充分考虑高振型影响。

(9) 在计算中对结构分别按照水平作用正交和斜向施加计算了各项指标并按包络结果配筋。

(10) 对于中震下产生拉力的剪力墙端柱, 按照特一级采取构造措施。

结构不规则性 篇2

【关键词】高层建筑结构设计；不规则性；应用

引言：在高层建筑实际工程设计中，由于考虑不同的建筑功能需求、外观立面及场地条件等因素，要使高层建筑结构方案规则往往比较困难。不规则高层建筑已经逐渐在建筑行业崭露头角，在各大大中型城市得到应用。不规则高层建筑的结构非常复杂，在进行抗震设计的过程中，需要综合考虑抗震结构设计、地震时的受力情况等因素。

1、高层建筑结构中不规则性发展的现状

随着我国经济快速发展，人们生活水平不断提高，城市化进程加快、范围扩大，对建筑的类别和建筑高度等方面的要求也不断提高，也推动了建筑行业的不断发展和革新。建筑工程设计为了适应当前城市发展和迎合市场需求，打破了传统的高层建筑设计上要求建筑结构规则、对称的设计理念。建筑设计师为了设计出新颖别致、独树一帜的建筑，使之成为城市里的一道靓丽风景，通常使高层建筑方案很不规则，这就给结构设计人员带来了极大的难度和挑战。

2、不规则高层建筑结构发展存在的问题

2.1不规则建筑物的超高限问题 随着不规则建筑物高度的增加，很多結构参数会发生一定的质变，超出原有的安全系数范围，这样会降低不规则高层建筑的安全保障性能。如今随着科学技术水平、建筑科研水平、施工水平的不断提升，土建规范体系的建设逐步完善，但是依旧存在着很多的超高限建筑物，如果建筑物超出了安全的高度限制，建筑物的防烈度和结构稳定性会降低，为此，不规则高层建筑物的高度应该由专家进行论证，并结合模型振动台进行试验，保障不规则高层建筑物的抗震性能。

2.2材料的选用和结构体系存在问题 目前国内可选用的不规则高层建筑结构主要有三大类：框―筒、筒中筒和框架―支撑体系，结构材料主要以钢结构和钢筋混凝土结构为主，但是，不规则高层建筑的框架在实际选用中主要是以框架―核心筒体系为主，用钢量少，建筑的变形控制主要以钢筋混凝土结构的位移限值为基准，但是是在施工过程中的弯曲变形侧移较大，钢结构的负担增大，加强层与转换层之间的大刚度容易导致刚度突变在选材方面，只选择钢筋混凝土结构不够合理，而应该选用性能更佳的钢骨混凝土结构、钢管混凝土（ 柱） 结构或钢结构，改善结构的抗震性能。

2.3抗震设防烈度较低 目前不规则高层建筑的抗震设防烈度非常低， 这与结构设计存在着密切联系。目前现行的抗震设防标准较低，具体抗震计算方法和构造规定的安全标准有很多不完善的地方，建筑外设计的配筋率、轴压比、梁柱承载力匹配等方面存在着很大缺陷，结构造价的投资过少等，这都严重影响了不规则高层建筑物的抗震设防烈度。

3、高层建筑结构设计不规则性的应用

3.1 高层建筑结构不规则性的判定与设计控制

高层建筑结构不规则性主要有结构本身的不规则，扭转不规则等判定，结构本身的不规则包括施工工艺和条件的限制、楼层质心的偏移、结构刚度退化不均匀。高层建筑结构设计不规则性会导致各种不可预知的变化，结构的弹性阶段和非弹性阶段的转变节点难以评估，刚度和强度变化都比较明显，容易使构件发生扭转反应。位移比是判定建筑结构不规则的一个重要指标，通过分析刚度和质量平面分布，计算侧向变形和扭转变形的相对值，扭转变形过大导致结构过早进入破坏状态，形成隐患，因而以位移比来评估不规则特征具有积极的作用。

3.2 高层建筑结构设计不规则的加强措施

（1）合理布置结构中的不规则部件：要减小各种偏心情况，避免建筑中出现大的扭转效应，确保整体的稳定性。

（2）增强扭转强度，提高材料抵抗破坏的能力，不规则结构的应力应变比较复杂，在相对薄弱偶的环节易出现扭转性能差的问题，需要对薄弱的环节进行强化，防止结构的失稳或扭转严重，而材料是关键的加强因素，高质量的材料可以减少各种问题，提高强度。

（3）设置防震缝：地震是偶发性的破坏因素，但是对于不规则建筑结构的破坏作用非常明显，常常带来很大的损失，为了降低地震的破坏作用，需要设置防震缝，将建筑分成若干个结构刚度、形体独立的部分，减轻相邻结构的相互碰撞，防震缝在其中发挥着重大的影响，可以明显的降低地震变形的问题，提高安全性。

（4）提高周边抗扭构件的抗剪力，高层建筑结构如果受到双向水平地震的作用，可能会发生非弹性变化，即非恢复性的变形，从而加剧偏心。因而要提高周边抗扭构件的抗剪力，可以确保高层建筑在强震情况下，仍处于整体弹性状态，减少损坏。

（5）减小建筑结构的相对偏心距，不规则建筑结构的偏心严重，需要减小相对偏心距，这样才能提高整体的结构性能。

（6）调整建筑结构抗扭刚度和抗侧刚度比，如果不规则高层建筑无法削弱中部剪力墙，也不能加强周边剪力墙，可以适当调整结构抗扭刚度和抗侧刚度比，加强周边框架梁的刚度，形成套箍效应，明显降低扭转效应。

（7）刚心与质心的检查，要验证二者的距离是否过大，根据偏心情况布置剪力墙，并调整刚心位置，加强抗扭刚度，提高结构的抗震性。

（8）综合考量最大位移值和位移比，在符合扭转周期的情况下，适当放宽位移比限制，但不能超过40%。

3.3 高层建筑结构设计不规则性的注意事项

（1）不规则建筑具有平面的深凹口，需要加强楼板的刚性，在凹口处设置拉梁，并且该部位的楼板不足以视为刚性楼板，也不能因设置拉梁而作为楼板开洞处理，但可以视为弹性板计算。

（2）判别薄弱泊位和结构薄弱层，并进行验算，采取针对性的加强措施。

（3）对于不落地构件通过次梁转换的问题，要慎重应对，要明确计算不落地构件的地震作用，要分析其传递途径，采取加强措施，确保转换构件的稳定性。

（4）设计的针对性，高层建筑结构的设计各有不同，存在很大的差异性，由于形状的多变，在设计时往往很少有明确的参考，需要针对性的计算、验证，如变形、偏心计算、应力、承载力、位移比等，需要通过计算机技术模拟，经过详细的验证。

（5）设计的硬性指标，不规则高层建筑结构的安全性和稳定性常常成为人们担心的问题，需要确保一些硬性的指标通过审核，如抗震强度、刚度等重要的指标，确保建筑整体的可靠性和使用寿命。

（6）环保要求，许多高层建筑追求美观、低碳、智能化等特点，环保是未来建筑设计的发展方向，而不规则高层建筑是具有代表性的建筑形式，引领了潮流，因而在设计时不能仅仅事考虑传统的设计要求，需要引入环保意识，这样可以节省资源，提高建筑的效益。

4、结束语

我国的经济发展非常迅速，各种建筑形式百花齐放，而不规则的高层建筑已经成为一种潮流，具有典型性，是地区发展的标志，具有重要的作用，因而研究高层建筑结构设计不规则性的特点和应用，为提升其整体的安全性和稳定性做出一定的贡献，相关的研究值得进一步深入。

参考文献

[1] 安志宏. 高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[J]. 吉林大学. 2004-10-01.

[2] 辛红军. 高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[J]. 科技资讯. 2012-04-13.

高层建筑结构设计不规则性的研究 篇3

1 高层建筑结构中不规则性的现状分析

最近几年, 我国经济的发展非常之快, 随之我国老百姓的生活水平也不断的提高, 加上城市化进程的不断加快, 对建筑的类别和建筑高度等方面都提出了更高的要求, 这就使建筑行业得到了不断的发展和革新。建筑工程设计为了更好的适应当前城市的发展, 进一步迎合现今市场的需求, 首先从设计的理念方面打破了高层建筑设计上要求建筑结构规则、对称的传统。建筑设计师为了自己设计的建筑更加的新颖别致、独树一帜, 使之成为城市里的一道靓丽风景, 通常都会在高层建筑的方案中增加不规则性的设计, 这实际上给建筑结构的设计带来了极大的难度和全新的挑战。

2 高层建筑结构设计不规则的特点和形势

不断提升的城市化水平和不断发展的建筑行业, 使人们对建筑结构的要求也随之提升, 大部分人都希望建筑在确保安全性的前提下, 还能够确保其外观的美观性, 同时现代的建筑设计行业也在不断地发展和完善之中, 因此建筑设计人员在将建筑设计落实到实际当中的同时, 也在不断丰富和更新自己的设计理念和设计知识, 只有这样才能够更好地满足人们对建筑设计的需求。当今时代是一个个性张扬的新时代, 人们希望自己居住的建筑环境独具特色, 因此建筑结构的不规则性也更加的突出, 虽然这些风格迥异的建筑从某种程度上提升了整个城市的风貌, 但同时也是对建筑设计和建设的更高要求, 建筑的设计人员和施工人员需要在技术上投入更多的精力, 同时也需要建筑建设的成本不断的增加。

3 高层建筑结构存在不规则性的种类

3.1 平面设计不规则的类型

平面不规则的类型同城表现为三种形式:第一是楼层的弹性水平位移比它两端的弹性水平位移的平均值要高出1.1~1.2倍。这样的情况为“扭转不规则”, 导致这种现象的原因是水平作用力的结果。第二是设计平面凹凸度不规则。第三是楼板开都面积比楼板面积大出1/3, 有时还会造成错层现象。表现为楼板局部不连续, 致使楼板尺寸和平面刚度急剧变化。这三种情况都能使建筑结构不规则。

3.2 竖向不规则的类型

造成高层建筑不规则性的另一方面是“竖向不规则”。据有些资料记载:“在一是侧向刚度的不规则性, 该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%, 或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%;除顶层或出屋面小建筑外, 局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%;二是竖向抗侧力构件不连续, 竖向抗侧力构件 (柱、抗震墙、抗震支撑) 的内力由水平转换构件 (梁、桁架等) 向下传递;三是楼层的承载力出现了较大幅度的变化, 衡量措施就是层间抗侧力结构的受剪承载力不超过其相邻上一层的4/5。”这时就会显现出建筑的不规则现象。这种不规则现象的存在无疑会在发生地震的时候, 建筑结构在平面分布不规则的位置, 损毁是最为严重的, 同时如果“整体结构的核心与刚度作用偏离较大情况下或者是在扭转刚度过小的结构中。”对建筑的损毁程度也是较为显著的。由此而言, 我们的建筑结构工程师再设计高层建筑时一定要提高自己的设计技巧和审美观点。对高层建筑结构设计的过程考虑其抗震性能和安全性能, 同时对建筑的主体结构的实际扭转效应必须进行严格的控制。目前国内已经有了解决这方面问题的方法, 一是最大程度地确保结构在空间和平面上的对称性, 使其具备一定的分布规则, 尽量避免出现比较大的偏心作用, 进而科学地降低主体结构的扭转效应;二是在建筑结构规定的有效范围之内, 最大程度地使建筑的扭转刚度值得到增加, 以加大对扭转作用的抵抗能力。”这些方法目前都是行之有效的。

4 高层建筑结构设计不规则性的应用

对于不规则结构在实际的应用中, 体现出一定的弊端, 尤其是在地震的作用下, 建筑结构中不规则的部位容易受到损坏, 而且刚度作用较大的结构受到的损害尤为剧烈。为了改善这一问题, 需要建筑设计工作人员在进行高层建筑不规则结构设计的过程中, 加强对这些部分的控制, 同时也要对主体结构加强重视。通常情况下, 采取的具体措施主要有:保证平面结构的对称性, 使得结构的分布具有一定的规则性, 这样才能保证空间的稳定性, 进而减少整个建筑结构的扭转性。要根据设计方案来对建筑结构的扭转刚度值控制在相应的范围内, 最大限度地保证建筑结构的抗扭刚度。具体来说可以从以下几个方面来进行具体的分析:

4.1 尽量减少高层建筑结构相对偏心距

在多数的建筑结构中, 高层建筑的扭转程度和偏心距之间存在着明显的联系性。因此, 为了减少建筑结构扭转效应的发生, 就应该从偏心距的角度入手, 改变其参数值。这种做法不仅有效地改善了平面分布的不合理状况, 同时也减少了高层主体结构的相对偏心距, 进而可以分析出结构中心和刚度中心的相对位置。

4.2 改善高层建筑结构抗侧与抗扭刚度

我们在实际的高层建筑施工过程中发现, 很多小高层的主体结构出现了扭转效应和结构自我震动周期的平方值保持着线性函数的关系这表明, 我们在进行高层主体结构设计的时候, , 应该通过合理地降低建筑结构自我诊断的周期长短的方式来降低高层主体结构的扭转效应。对于关剪力墙的有关设计, 需要在有效的区域范围之内进行墙体的长度或者厚度的科学性调节, 使高层建筑的主体结构的抗扭刚度在实际应用中得到改变。一般情况下, 我们采用在主体结构的边缘处对柱梁进行布置, 进而使高层建筑主体结构的自我震动周期降低, 使高层主体抗扭刚度得到改善。

4.3 增强高层主体结构边缘件抗剪强度

在高层建筑的的主体结构边缘构件的抗剪强度设计中, 最重要的一点就是要保证其合理性。一旦设计不合理, 就会在施工中出现, 较大的额外力作用, 使建筑主体结构的边缘构件发生严重的的破坏。据建筑行业的权威人士们的相关研究表明, “假如高层建筑长期处于非弹性阶段, 本来具有规则性的建筑在受到多重地震作用的影响下就会因为变形而出现偏心的情况。”因此, 要想让高层主体结构的抗震性能增强, 能抵抗自然灾害的破坏, , 它的边缘构件的抗剪强度必须增强, 这样即使受到了较为明显的额外力作用, 整体的建筑结构也能够通过自身的弹性作用而恢复正常。

4.4 防震缝建立的科学性

对于科学的防震缝问题, 我们的建筑设计者和工程技术人员, 都经历了苦苦的研究, 并在实践中进行了检测。我们发现空间和平面形体复杂的高层建筑由于受多种原因的影响, 很难将某些复杂的结构, 设计成有规则性的整体, 这时, 就需要建立一套防震缝的手段来确保工程项目的整体质量不受到损坏。这种方式就是根据建筑物的主体的客观性来进行。尊重客观也是我们建筑行业进行建筑设计的科学管理的一项主要内容。

5 结束语

在整个工程建设的过程中, 高层建筑的不规则性会直接对楼体结构的平面分布构成明显的影响, 这就需要及时的改进设计中薄弱的环节, 确保其安全性。在建筑设计中, 设计人员保证设计的合理性, 适时的采用新技术和新理念, 尽量减少因为结构的不规则性而给建筑带来的负面影响, 尽量在确保建筑美观的同时保证建筑的质量。

摘要：随着近几年我国经济的快速发展, 我国的建筑行业也随之发展起来, 建筑在设计上的创新性也越来越突出, 建筑结构的不规则性也不断的出现, 这就给建筑设计提出了更高的要求, 要想确保建筑设计的质量和安全, 就必须严格的以规范作为设计的依据, 进而不断的提高建筑的美观性。

关键词：高层建筑,结构设计,不规则性,研究,应用

参考文献

[1]安志宏.高层建筑结构设计不规则性的研究与应用[D].吉林大学, 2004.

结构不规则性 篇4

【关键词】建筑工程；结构设计；不规则现浇板；应用；处理技术

不规则现浇板是建筑结构设计中难度最大的一种结构设计，但同时又是建筑设计师在设计中必须要做好和解决的一个设计难题。在建筑结构设计中，不规则现浇板结构设计的好坏不仅会对建筑结构的设计质量造成影响，严重者还有可能影响建筑物的整体质量。因此，在建筑工程建设初期，设计师在进行建筑结构设计时，务必要重视不规则现浇板结构设计，并遵循相关原则，采取可行措施，做好不规则现浇板结构的设计，切实保证建筑工程质量。

1.不规则现浇板的定义和种类

1.1什么是不规则现浇板

不规则现浇板并不是现有现浇板的一种分类，其实质是指与建筑墙体、楼板等具有规则形状的现浇板相对应的，在建筑结构设计中常用的一种现浇板。比如建筑厨房、卫生间的现浇板，建筑外墙转角处设置的现浇板等等，这些结构设计都属于不规则现浇板设计。不规则现浇板与规则现浇板唯一的不同是：不规则现浇板在设计时，其所呈现出来的形态并不是直线式规则样状的，而是一些不规则状态。比如现代建筑中出现最多的，厨房窗台处花瓣式窗户的设计，便是一种最为典型的不规则现浇板结构设计。

1.2不规则现浇板的种类

在现代化建筑工程领域，不规则现浇板的应用极为广泛，这就为不规则现浇板的应用奠定了广阔的市场基础。在这种时代背景下，目前的建筑工程设计中，对于不规则现浇板的设计也较为常见，其主要被应用在厨房、卫生间等特殊空间中。我们常见的不规则现浇板主要包含有现浇板、外墙砖角部位一体机楼层平面出现缺口部位的叫板结构等，由于这些地区本身就存在着结构复杂、个性的特征，为此在工作中做好相关设计工作是极为关键的，也是尤为重要的。在这类建筑结构中，其最大的特点在于结构的特殊性，是一些不规则、不均匀的线条构成的，这就形成凸凹不齐的现象。这些不规则的现浇板在设计中最难的环节就是对不规则线条的处理以及处理过程中需要注意的稳定性、强度方面的要求，在工作中要想达到是这一处理要求，我们有必要从屋里的角度去分析，针对现浇板在力的传导等方面也具备着不规则特征，要想使得这些特征都达到稳定性，就需要通过大量计算、全面分析，从而实现设计的一致、科学进行，对于其中常见故障问题加以改变和完善，从而保证建筑结构使用安全。

2.不规则现浇板的结构设计方法

根据建筑结构位置的不同，不规则现浇板结构的设计方法以及设计过程中的注意事项也有所不同。结合前段对不规则现浇板结构设计的种类来分析，发现建筑结构中应用不规则现浇板最多的主要在厨房卫生间、不规则楼板、外挑阳台、外墙转角以及楼层平面等五大结构。现对不规则现浇板设计在不同结构中的应用作以下分析：

2.1厨房卫生间的现浇板设计

在民用居住建筑中，建筑内部空间的卫生间和厨房等，都需要做好一定的防水处理。厨房、卫生间的防水处理方法与大厅、卧室等房间的处理方法有所不同，通常情况下，厨房、卫生间的防水是将其房间地板的板面高度调低一点，与其他房间的版面高度大约保持30mm-50mm的高度差。因此在实际的防水处理中，我们所采用的处理方法大多是在厨房设置次梁，但这样的处理方式会降低建筑空间的美观度，在实际使用中给人突兀、不和谐的感觉。解决这一问题需要在设计的过程中注意肋梁构造设计。建议：建议肋梁宽度取值200mm，当跨度小于2.5m的时候，可以增加上下直径为14mm的构造配筋。下沉区域上下铁可以设计成双向拉通，并在相邻放假按大板支座负筋配置。

2.2不规则楼板的设计处理

在居住建筑设计中，为了满足人们多元化的住宅功能需要，在设计上常常遇到不规则楼板的处理问题，传统的设计方法是在缺口的地方设置一道梁，虽然能够解决不规则楼板的承重等问题，但是由于该梁也是在室内，也会影响到室内的美观性。实际上在设计上是完全可以避免这一问题的。以往的处理方法是在缺口处设梁，但是这样会影响观感。现在我们在设计中为使室内简洁舒适，避免设梁，可采取板搭板做法或采用钢筋进行适当加强。

2.3外挑阳台的现浇板设计

在现代住宅类的设当中，阳台是不可缺少的一部分，一般来说阳台的身长度为1.5m-2m之间，为了保证阳台楼板在使用过程中有足够的刚度，在设计上该处板厚一般取值为阳台外伸长度的1/12—1/10长，而且相邻房间的板厚一般要小于挑板根部的厚度。在设计的过程中，对于外挑阳台现浇板的设计需要注意的是避免过梁承受过大的扭矩，一般来说将挑板根部厚度与相邻房间的板厚差控制之灾30mm就能解决这一问题，具体的挑板配筋数量需要根据相邻房间的楼板厚度经过科学的设计计算后确定，以保证挑板配筋符合建筑需要。

2.4楼层平面出现大缺口的复杂体型设计

在住宅建筑当中为了追求厨房直接对外窗户，一些设计方案上需要在楼层平面上设计一个大缺口的复杂体型，而设计师在处理的过程中应该保证该部分整体的变形协调，要想达到这一目的需要注意以下几点：

（1）在电梯间、楼梯间连接部位的处理上，设计师应该严格控制好楼板厚度，一般来说楼板在任意方向的宽度都不能小于5m，其中板厚应该在150mm以上，并在配筋上采用双层双向的设计方案，各层的配筋率不能低于0.30%。

（2）在外伸部位的处理上应该在端部每两层设置一道连接梁，连接梁直接与墙体连接起来，取值应该与墙体厚度基本一致，连接梁的高度要在500mm以上。在纵向钢筋的配置上要考虑连杆的作用，同时考虑到建筑的抗震需要，但是不应该低于建筑标规定的最低配筋率，箍筋从保证质量的角度可以采取全跨加密的方式。

（3）当各部分外伸长度不等，或建筑立面外观考虑不允许结构设连接梁时，可在距外端一定距离处，每隔2—3层设置连接板，其宽度不小于180mm，双层双向配筋，每层每方向的配筋率不小于0.25%，长方向上钢筋伸至相邻跨板长度不小1/2板跨，下钢筋锚固入墙按受拉锚固长度，相邻跨楼板下钢筋适当加强，在连接板范围伸入连接板按搭接长度。

3.结束语

总而言之，在对建筑结构设计中的不规则现浇板进行处理时，需要采用适当、合理的处理方法，而处理方法的选择依据一般由不规则现浇板自身所具有的特点，以及建筑工程的实际需要来决定。只有在遵循了不规则现浇板处理原则，选择了适宜、可行的处理方法的前提下，才有可能完全解决不规则现浇板带来的建筑质量问题，确保建筑结构的整体稳定性。 [科]

【参考文献】

[1]混凝土结构设计规范GB50010-2002.北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2]李国胜.混凝土结构设计禁忌与实例.北京：中国建筑工业出版社，2007.

结构不规则性 篇5

关键词：高层建筑,结构设计,研究

随着我国建筑产业的不断发展, 建筑体在外形构造上也在发生许多改变, 越来越多的高层不规则建筑体取代了过往那些对称、均匀、协调的建筑形态。处理好高层不规则建筑体的结构设计中存在的各类问题是保障不规则建筑体的安全性与稳定性的基础, 对于结构设计中的一些重点与难度的剖析也能够帮助结构设计更为高质量的完成。

1 高层建筑中不规则建筑的发展现状

随着我国科学技术水平的逐步提升, 我国建筑行业也在不断的发展。随着城市的不断扩建, 设计者们为了迎合城市建设的发展需求, 他们已经逐步更新了自己以往建筑物必须要对称、规则的观念, 并且在慢慢尝试建造一些标新立异、新颖别致、独树一帜的建筑体, 如非对称、不规则的建筑结构物。随着人们的观念的转变, 现如今大城市中出现了各式各样结构复杂的不规则建筑, 这种趋势在某种程度上代表了我国以后建筑的发展方向。

不规则建筑的产生对于建筑行业有着一定的影响。一方面, 不规则建筑极大的转变了过往人们对于建筑体的已有观念, 建筑体的对称、均匀、协调等概念很直接的被打破, 人们开始慢慢接受甚至欣赏那些造型独特、构造复杂的不规则建筑体, 这些别致的建筑也很好的装点了城市容貌。另一方面, 不规则建筑体在打造时复杂程度更高, 尤其是对于建筑体的结构设计而言, 其难度明显增大。想要保障这些不规则建筑的稳定性与抗震性, 这必须在结构设计上有所突破, 并且能够突破不规则建筑在结构设计中存在的各种难点。从当下我国不规则建筑的发展状况来看, 不规则建筑出现的越来越多, 很多开发商都乐于尝试这种构造更为新颖独特的建筑形式。

2 不规则建筑的结构类型

2.1 平面不规则结构类型

1) 扭转不规则:判断标准是每一楼层自身最大的弹性水平位移大于该楼层两端的弹性水平位移平均值的1.2倍, 或者是最大的层间位移大该楼层两端层间位移平均值的1.2倍。2) 凹凸不规则:判断标准是建筑结构平面凹进一侧的尺寸大于其投影方向上总尺寸的30%。3) 楼板局部的不连续:判断的标准是楼板的尺寸以及平面刚度发生急剧的变化。

2.2 竖向不规则结构类型

1) 侧向刚度不规则:判断的标准是该楼层的侧向刚度值大小小于与其相邻上一楼层的70%, 或者小于该楼层以上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%, 排除顶层不算, 楼层局部收进的水平向尺寸大于其相邻下一层的25%。2) 竖向抗侧力构件不连续:判断标准是竖直方向上的抗侧力构件的内力通过水平转换构件而向下传递。3) 楼层承载力突变:判断标准是层间的抗侧力结构的受剪程度小于其上一层的80%。4) 楼层间质量突变:判断标准是楼层质量大于相邻下一楼层质量的1.5倍。

3 高层不规则建筑的结构设计方式

3.1 减少建筑结构的相对偏心距

减少建筑结构的相对偏心距是不规则建筑在进行结构设计时首先需要把握的一点。很多研究都显示, 建筑体的扭转效应与建筑体的相对偏心距呈线性关系, 想要控制建筑体的扭转效应, 并且尽可能的缩小建筑体楼层的位移值, 这必须有效控制建筑结构的相对偏心距。在具体的结构设计中首先可以通过模型分析以及具体的计算过程来确定整个建筑体的质心以及刚心, 随之需要进一步展开对于建筑体的结构刚度的分布的研究, 这样才能够进一步减少那些距离质心较远的抗侧力的构建。这对于缩小建筑体的相对偏心距很有帮助。

3.2 调整建筑结构抗侧刚度和抗扭刚度比

从具体的研究中我们认识到, 建筑体的扭转效应与结构周期间存在一定的线性关系, 这也带给我们一些启示, 适当的减少建筑体的结构周期将能够很有效的帮助降低建筑结构的扭转效应。在具体的设计中可以一定程度加大剪力墙或者增加剪力墙的厚度, 尤其是那些离刚心较远的剪力墙需要特别留意。对于结构的抗扭刚度的设计也很重要, 可以通过拉梁的设置来一定程度提升结构的抗扭刚度, 这同样能够减小结构的扭转周期。

3.3 提高周边抗扭构件抗剪力

对于不规则建筑而言其抗震性比起普通的规则建筑更难保障, 因此, 在结构设计中很有必要通过合理的布设来全面提升不规则建筑的抗震性能。想要保障不规则建筑在强震条件下仍然能够保持稳定, 只是调节建筑体的结构布置是不够的, 提升建筑体周边的抗扭构建的抗剪力将能够起到很好的辅助作用, 这也是结构设计中需要把握的一点。

3.4 设置防震缝

在许多不规则建筑中都会碰到一些平面结构较为复杂的建筑体, 对于这类难以将平面布设为规则结构的建筑体, 可以通过防震缝的设置来缓解一些实际问题。防震缝一方面能够将建筑体的平面分为一些规则的结构, 另一方面, 它能够很好的保障整个建筑体的稳定性。这是不规则建筑中一种非常适宜的处理方式, 将能够极大的提升不规则建筑体的抗震性与稳定性。

结语

想要处理好高层不规则建筑体结构设计中的许多问题, 这需要在结构设计上有深入研究。在实际工作展开中首先应当合理控制建筑体的相对偏心距, 这是保障高层不规则建筑体稳定性的基础。同时, 对于建筑体的抗扭刚度与抗侧刚度的控制也很重要, 这些能够进一步保障建筑体的稳固。此外, 还可以通过防震缝的设计来缓解一些实际问题。这些都是很好的结构设计方式, 能够进一步保障高层不规则建筑体的综合性能。

参考文献

[1]田源.超长且平面、立面不规则建筑结构的设计分析[J].铁道标准设计.2010 (05)

规则微观结构粗糙表面浸润性研究 篇6

材料的浸润特性常用表观接触角进行表征, 公认的超疏水材料定义是接触角大于150°, 而本征接触角大于150°的材料在自然界不存在。Barthlott[10]和Neinhuis[11]通过观察具有超疏水自清洁特征植物叶表面的微观结构, 发现超疏水特性是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物共同引起的。因此要获得超疏水材料必须同时满足两个条件:材料表面能低以及一定的粗糙度。Onda等[12]利用分形理论将粗糙表面的接触角公式进行了变换, 然而分形结构模型的粗糙度是非常大的, 甚至接近于无穷大, 因此由分形理论得到的浸润特性与现实情况有较大出入。陈晓玲等[13]认为粗糙表面的润湿性可以由液滴在投影面上与固、液、气三相接触的面积比来衡量, 提出了一种新的液滴表观接触角的计算方程, 然而由新的计算方程得到的接触角范围过宽。潘光等[14]分析了微观结构的几何参数对表观接触角的影响, 但分析模型仍旧采用的经典Wenzel模型及Cassie模型。这两种模型可以进行定性分析, 但定量分析时就具有较大的误差。本实验设计并加工了4组具有不同规则微观结构的粗糙表面, 研究其浸润特性并试图提出新的表观接触角预测公式。这4种微观结构分别为圆柱、圆孔、方柱和方孔。

1 超疏水表面浸润性理论

1.1 理想光滑表面的浸润特性理论

关于固体表面浸润性的研究最早可以追溯到1805年, Young等提出的著名的Young′s方程成为人们研究固-液润湿作用的基础。该方程的应用条件是理想表面, 即固体表面是组成均匀、平滑、不变形和各向同性的, 而真实固体表面是具有一定粗糙度的。

1.2 粗糙表面的浸润性理论

Wenzel和Cassie先后在Young′s方程的基础上对浸润模型加以拓展并提出了粗糙表面的接触角预测方程。

Wenzel提出的模型假设液体始终能填满粗糙表面上的凹槽 (图1 (a) ) , 粗糙表面的存在使得液体与固体的实际接触面积要大于表观几何上观察到的面积。由能量关系与Young′s方程推得式 (1) 。

式中:r定义为粗糙度, 是指实际的固-液界面接触面积与表观固-液界面接触面积之比;θr是Wenzel模型下粗糙表面的接触角;θ为固体材料的本征接触角。

Cassie提出的模型是将粗糙不均匀的固体表面设想为固体和空气组成的复合表面 (图1 (b) ) , 而液滴在粗糙表面上的接触也是一种包含液-固和气-液的复合接触。进而推导出式 (2) 。

式中:θ1和θ2分别为液体在成分1和成分2表面的本征接触角;f1和f2分别表示成分1和成分2所占的单位表观面积分数。

2 实验

2.1 具有规则微观结构的粗糙表面的设计及制备

超疏水材料的构建方法很多, 如气相沉积法、阳极氧化法、模板法、自组装法、异相成核法、等离子体处理法、光刻蚀法等[15]。其中异相成核法、等离子体处理法、气相沉积法、阳极氧化法、模板法及自组装法形成的均为非规则微观结构的超疏水表面, 这些方法因制作简单、成本低而具有良好的应用前景, 但表面微观结构的非规则性, 使其难以应用于机理模型的研究。光刻蚀法则可以制成具有规则形状、固定大小和分布的超疏水表面, 为研究具有规则微观结构的超疏水表面的浸润特性带来了可能。

本实验采用光刻蚀法制备了4种结构特征的粗糙表面, 分别为圆柱、圆孔、方柱和方孔, 设计方案如图2所示。考虑到加工工艺问题, 微观结构的特征尺寸d和h均取为30μm, 调节间距a的大小, 进而得到粗糙度不同的表面。每种特征的粗糙表面制作9个, 粗糙度由1.2~2.0均匀分布。

使用的加工材料为聚二甲基硅氧烷 (PDMS) , 实测该种材料的本征接触角为109.8°, 如图3所示。

通过光刻蚀法构建具有规则微观结构的粗糙表面, 首先需要制作掩膜板, 在掩膜板上形成所需的图像;再将刻有图像的掩膜板对准涂好光刻胶的晶圆, 进行曝光处理, 曝光后光刻胶的性质和结构发生变化, 由原来的可溶性物质变为非可溶性物质;然后用显影剂把可以溶解的部分去掉, 剩下有图案的部分;接着进行刻蚀, 通过刻蚀把晶圆上没有被光刻胶保护的部分的薄膜层去掉;最后再去除光刻胶, 完成粗糙表面的制作。图4为所制作的粗糙表面。

2.2 实验仪器

实验采用SL200B标准型光学接触角仪 (美国科诺公司) 、UI-1240SE-C图像传感器 (德国IDS公司) 和VS-7516M工业远心镜头进行图像法测量。

2.3 实验方法

粗糙表面的浸润性通常用其表观接触角来表征。实验过程是用美国科诺公司的SL200B标准光学接触角仪分别测量不同微结构、不同粗糙度的粗糙表面的表观接触角。接触角的测量方法选用悬滴法, 使用的液体为去离子水, 取水滴体积为4μL。

3 结果分析与讨论

3.1 微观结构特征为柱形的粗糙表面

表面特征为圆柱和方柱的两组粗糙表面的实测接触角与Wenzel模型、Cassie模型的预测值如图5和图6所示。

此两组微观结构特征为柱状的粗糙表面的实测接触角大都接近150°, 其中微观结构为方柱、编号为1和2的两个粗糙表面的表观接触角大于150°, 满足了超疏水材料表观接触角大于150°的条件。然而实测值与Cassie模型预测值及Wenzel模型预测值有较大差距, 可见对于微观结构特征为柱状的粗糙表面, Wenzel模型和Cassie模型均不能准确预测其接触角值。究其缘由, 对于Wenzel模型, 真实情况下液体并不总能填满粗糙表面的结构内部。如图7所示的情况下, 液滴与粗糙表面的接触并非仅仅是固-液一元接触, 而是包含固-液、气-液的二元复合接触。对于Cassie模型, 粗糙表面并不是简单的复合表面, 而是具有一定粗糙度的复合表面。粗糙度与复合界面的成分对表面浸润性具有同样不可忽视的影响。

如图7所示, 液体侵入柱体根部, 却恰好未浸润底部平面。假设固-液界面的表观接触面积为S, 而实际接触面积为固-液接触面积S1与柱体根部的气-液接触面积S2之和。由于粗糙度r的存在, 其实际接触面积为rS。

在Cassie模型中, 气-液接触面积所占光滑复合表面面积的比例为f2, 则图7中柱体根部气-液接触面积为:

固-液接触面积为:

那么, 固-液接触面积S1占整个复合接触面积rS的比例为:

气-液接触面积S2占整个复合接触面积rS的比例为:

在恒温、恒压的平衡情况下, 由于界面的微小变化而引起的体系的自由能变化为:

平衡时, dE=0, 则有:

根据Young′s方程:

可知:

式中:θr为表观接触角, r为表面粗糙度, f2为液体与空气的接触面积与表面投影面积的比值, θ1为固-液本征接触角, θ2为固-气本征接触角。

将两组柱形粗糙表面的Wenzel模型预测值、Cassie模型预测值、实测值与由式 (10) 得到的修正值绘于图8和图9中。

由式 (10) 的假设条件可以认为是液滴恰好未完全浸润柱体的极限情况;而根据Cassie方程的假设条件可知, Cassie方程为液体完全未侵入表面结构的极限情况。所以实测值理应介于这两个方程所得的预测值之间, 液体侵入表面的程度愈严重, 实测值应愈接近式 (10) 得到的预测值;反之, 则实测值愈接近由Cassie方程计算得到的预测值。

图8和图9中的实测值与上述论断相符, 图中除个别数据外绝大部分实测接触角确实位于Cassie模型预测值与式 (10) 的预测值之间。而对于粗糙度较小的粗糙表面, 比如粗糙度为1.3的表面, 微型圆柱间的距离较大, 液体更易侵入粗糙表面内部, 所以其实测接触角的值更接近于式 (10) 的预测值。反之, 对于粗糙度较大的粗糙表面, 比如粗糙度为2的表面, 液滴难以进入粗糙表面的结构内部, 其实测接触角更接近于Cassie模型预测值。

对于微观特征为圆柱形、粗糙度为1.2的粗糙表面, 由于其表面的柱体间距很大, 表面极易被液体完全浸润, 以至于该表面接触角的值更接近于Wenzel模型的预测值。

3.2 微观结构特征为孔状的粗糙表面

孔状结构与柱状结构的区别在于:当孔状粗糙表面上有液滴时, 液滴下方的气体与大气是不连通的;而当柱状粗糙表面上有液滴时, 其下方的气体与大气是相连通的。

对于圆孔状微观结构的粗糙表面, 液滴侵入结构内部的过程可以视为等温过程。

对于整个液滴:

式中:G为液滴重力, FSL为固体表面对液滴的支撑力, N为粘附力, FVL为液滴底部封闭空气对液滴的作用力, 2πr1γ为毛细力, θ1为材料的本征接触角。则液滴对底部封闭空气的作用力为:

液滴底部封闭空气压强的增加量为:

式中:ρ为水的密度, V为水的体积, f2为气液接触表面与表观接触面积之比, S2为气液接触面积, S为表观接触面积。

式中:rsl为固-液表观接触面积的半径。如图10所示, 粗糙表面上的水滴呈球缺状, 固-液表观接触面即为该球缺的底面。球缺体积公式为:

式中:V为球缺的体积, 也就是水滴的体积;H为球缺的高度;R为球缺的半径。此外, 球缺高度H、球缺半径R和球缺底面的半径rsl存在如下关系:

根据接触角的定义, 还可以得到:

式中:α为表观接触角。

联立式 (13) -式 (17) 可求得Δp的范围。对于圆孔状微观结构的粗糙表面, Δp的最小值为72.5Pa, 最大值为453Pa。对于等温压缩过程, 则压缩比:

由式 (18) 求得压缩比的范围为-0.043~-0.0072。可见水滴很难侵入结构内部, 孔深因素引起的粗糙度的变化对接触角的影响很小, 所以微观结构特征为孔状的粗糙表面的接触角完全适合由Cassie模型来预测。另外, 由于水滴很难侵入孔状结构内部, 因此孔状的粗糙表面与柱状结构的粗糙表面相比疏水性能更稳定, 此特性在实际应用中具有很重要的意义。

图11和图12分别是微观结构为圆孔和方孔的两组粗糙表面的实测表观接触角、Wenzel模型预测值和Cassie模型预测值, 它们证实了Cassie模型可以较好地预测微观结构特征为孔状的粗糙表面的接触角这一结论。

然而相对于方孔结构的粗糙表面, 圆孔结构粗糙表面的接触角实测值存在较大的振荡。在显微镜下可以观察到, 由于加工工艺不完善, 圆孔状粗糙表面有较多缺陷 (图13) 。拔模引起的微观结构的缺陷是造成实测值振荡的直接因素。另外, 孔状结构易被污染, 且被污染之后难以清洁, 此亦为实测值振荡的原因之一。

4 结论

本实验制备了4组具有不同规则微观结构的疏水粗糙表面, 并研究了影响其表观接触角的因素, 对粗糙表面的接触角进行分类研究, 分别针对柱状、孔状两种粗糙表面提出各自的新的接触角预测模型, 通过实验验证了预测模型的准确性。研究还发现, 相对于孔状结构, 柱状结构更容易得到较大的接触角, 具有更好的超疏水性。对于孔状粗糙表面, 液滴难以侵入其微结构内部, 适用于Cassie模型, 且相对于柱状表面具有更稳定的疏水性能, 此特性在实际应用中具有重要意义。

参考文献

结构不规则性 篇7

Pushover分析方法由于其简单实用, 而后随着基于性能的抗震设计思想的提出和发展, 在地震工程界引起广泛的兴趣。Pushover分析方法本质上是一种与反应谱相结合的静力弹塑性分析法, 它按一定水平荷载加载方式, 对结构施加单调递增的水平荷载, 逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的非线性性能, 从而判断结构及构件的变形受力是否满足要求。

本文选取了四种框架结构, 一种为三层规则框架结构, 其他三种为不规则结构, 分别采用四种加载模式 (均布、曲线、倒三角、多振型) , 对四种结构对比分析得出结论。

1 水平荷载加载模式[4]

在进行Pushover分析时, 水平加载模式的选取是非常重要的, 它直接影响着Pushover分析的结果。一个合理的加载模式, 既要反映出地震作用下结构层惯性力的分布特性, 又应该使所求得的位移能大体真实反映出地震作用下的位移状况[1]。在Pushover分析过程中可以假定加载模式是不变的, 即不考虑结构变形过程引起的地震力分布的变化, 这样的Pushover分析结果有时可能会与实际的非线性动力反应有较大的差别, 特别是在高阶阵型影响比较大以及层间剪切力与层间变形的关系对所加荷载模式特别敏感时这一点尤为明显。因此Krawinnkler建议, 对于高阶阵型影响较大的结构, 应至少采用两种以上的加载模式进行Pushover分析[6]。本文采用四种加载模式分别是:均匀加载模式、倒三角加载模式、曲线加载模式和考虑多振型的SRSS加载模式。

方式1:均布加载:沿结构竖向均匀施加水平荷载。

方式2:倒三角加载:沿结构竖向倒三角施加水平荷载。

方式3:曲线加载。

${\rm P}{}_i=\frac{W{}_{i}h{}_i^k}{{\displaystyle \sum _{m=1}^{n}W}{}_{m}h{}_m^k}V{}_b$ (1)

其中, n为结构层数;hi, hm分别为结构第i, m层距地面的高度;Wi, Wm分别为结构第i, m层的楼层重力荷载代表值;Vb为基底剪力;参数k取值与结构基周期T有关。

方式4:考虑多个振型的SRSS加载模式, 是根据振型分解反应谱法平方和开平方 (SRSS) , 计算结构各层的层间剪力, 由各层层间剪力反算各层水平荷载。

2 算例

本文所采用的框架结构的平、立面图如图1所示。

1) 结构均为混凝土框架结构, 首层层高均为4.2m, 上面层层高均为3.3 m, 设防烈度为8度 (设计基本地震加速度值为0.20g) , 场地特征周期为0.35 s, 混凝土梁柱均为C30。

2) 由图1可知, 结构每一网格均为6m×6 m, 梁采用250 mm×500 mm。柱子截面与层高有关。层高为6层的结构, 1层～3层边柱为0.5 m×0.5 m, 中柱为0.6 m×0.6 m;4层～6层边柱为0.4 m×0.4 m, 中柱为0.5 m×0.5 m。3层的结构边柱为0.4 m×0.4 m, 中柱为0.5 m×0.5 m。

3) 用ANSYS有限元软件分析, Beam189模拟梁柱, 楼板自重及其上面的活荷载将以集中质量加在节点上用Mass21模拟。

4) 结构采用四种加载模式进行Pushover分析, 直到结构顶点的层间位移达到1/50时, 认为结构破坏[3]。取此时的层间位移角和层间位移图进行比较, 如图2～图9所示。

3 结语

通过对上述四个比较简单的结构分析、计算, 由图2～图9可得以下结论:

1) 比较低层结构1, 2和多层结构3, 4, 随着层数增大这几种加载模式的计算差别也随之有些增大。而不规则结构与规则结构相比, 这几种加载模式所计算的结果还是差别很小的。因此, 对不规则多层结构进行Pushover分析来判断结构的抗震能力是可行的。

2) 由图2～图9可以看到倒三角和曲线加载模式的计算结果比较接近, 在分析中可以采用其中的一种, 减少一种加载方式来减小计算量。

参考文献

[1]GB 50011-2001, 建筑抗震设计规范[S].

[2]李刚, 程耿东.基于性能的结构抗震设计——理论、方法与应用[M].北京:科学出版社, 2004.

[3]熊向阳, 戚震华.侧向荷载分布方式对静力弹塑性分析结果的影响[J].建筑科学, 2000, 17 (5) :8-13.

[4]侯爱华, 汪梦甫, 周锡元.Pushover分析方法中各种不同的侧向荷载分布方式的影响[J].世界地震工程, 2007, 23 (3) :120-128.

[5]赵丽清.建筑抗震概念设计[J].山西建筑, 2008, 34 (18) :89-90.

不规则框架结构隔震设计与分析 篇8

1.1 多质点隔震体系的力学模型

在结构中设置了水平刚度较小的阻尼支座, 在地震来临的时刻, 隔震层上部的主体一般会形成一个整体, 做一个整体的运动, 忽略竖向变形的影响。如图1所示, 将这种平动体系简化成一个动力分析模型。

参考相应的剪切型模型, 在分析动力的时候, 一般在结构中利用多质点体系来展开分析, 这样可以让分析的结果更加接近真实的地震情况, 将整个上部结构简化成一层一层的平板结构, 这种模型是假设结构水平刚度为无穷大, 然后将竖向结构集中在竖直的杆件上, 把质量集中在每一层的平面结构上, 如此就可以促进自由度的减少, 这对于我们进行整体结构的分析而言也是十分有利的。

1.2 多质点基础隔震结构动力分析

由图1可得, 隔震层以上结构第i层的地震响应为:

由达朗贝尔原理可得, 隔震结构的动力微分方程:

地震作用时, 上部结构的相对运动方程为:

阻尼矩阵C, 采用瑞雷阻尼, 其可以用质量矩阵和刚度矩阵进行组合, 而这种组合是线性组合, 组合的公式为:

常数可由上部结构第i, j振型的阻尼比i、j和自振频率i确定, 如下式所示, 一般取i=1, j=2。

2 算例概况

如图2所示, 该结构是一个不规则框架结构。有关结构构件的截面尺寸分别为:主梁截面尺寸300mm×700mm, 次梁截面尺寸200mm×400mm, 柱子截面尺寸500mm×500mm, 所有梁、柱、楼板构件的混凝土强度等级均为C30, 底层结构图全房间洞楼板, 其它层板厚为120mm, 本建筑共6层, 层高为3.3m, 基础高2.2m, 总建筑高度为22m。

在具体的分析研究之后, 选取GZP600普通叠层橡胶支座作为算例分析的阻尼支座。普通橡胶支座包含以下几个关键的组成部分, 分别为连接板、橡胶层等。

在原有的框架结构中分别设置基础隔震支座以及各层间设置隔震支座, 隔震层的上部结构不需要进行处理, 然后分别分析这两种隔震结构模型, 具体的阻尼布置情况如图3所示。

3 隔震结构体系的分析

3.1 结构的模态分析

应用SAP2000软件对框架结构进行分析, 对比结构的12阶振型, 具体的数据如表2所示。

参考以上表2、图4的数据, 我们发现:基础结构的最大自振周期为2.42561s, 抗震结构的最大自振周期为1.13548s。因此, 采用阻尼支座可以显著的增加框架结构的自振周期, 进而可以避免卓越周期的出现, 减少在地震波作用下对框架结构的影响。

3.2 结构的层间加速度

在地震作用阶段, 地震作用的一个重要参数就是结构的加速度, 该参数也能够体现出建筑结构会受到地震作用的影响。在这篇论文中, 我们在不同隔震和抗震结构中, 分别加入EL-Centro波以及Taft波等作用, 然后记录地震波处于最不利地方的加速度变化趋势, 最终形成下面的表格, 在表格中, 我们可以得出一定规律。

在EL-Centro波作用下, 参考图5, 我们能够发现:框架结构的最大加速度都会呈现一定的变化趋势, 然而在隔震支座的支持下, 加速度的峰值曲线数值存在很大的差异。而抗震结构的第六层最大加速度为2.678/s2, 基础隔震结构的第六层最大加速度为2.551m/s2, 层间隔震第六层最大加速度为2.443m/s2, 通过对比这些数据, 我们发现在结构中添加隔震支座以后就会降低楼层的最大加速度, 而且楼层间的加速度也会随之变小。所以, 参考加速度数据, 我们发现隔震的减震效果比传统的抗震措施更好, 而且基础隔震的减震效果比层间隔震要好。和传统的抗震结构相比, 隔震层存在较小的水平刚度, 在地震来临的阶段, 地震的作用主要是由隔震层来承担的, 也就是隔震层要进行主要的水平侧移。

在Taft波作用下, 由上面图6中的数据可知, 隔震技术的不同也会对楼层的相对加速度带来影响。对于基础隔震结构而言, 其支座第六层加速度最大值为2.551m/s2, 而层间隔震第六层加速度最大值为2.300m/s2, 在对二者的整体数据进行对比之后, 我们发现结构在设置隔震支座之后, 这时候会相应的降低上部结构的楼层相对加速度的最大值, 而且该数据受到楼层影响也会变得越来越小。所以, 就改善层间加速度而言, 基础隔震比层间隔震的改善效果更为明显, 所以隔震层能够减小地震的作用, 从而促进上部主体加速的的提升。

3.3 结构的层间剪力

(1) EL-Centro波作用下各个结构层间剪力。在EL-Centro波作用下, 通过对比图7中的数据, 我们发现了一些重要的规律。通过对这三种隔震结构进行详细的对比, 我们发现三种隔震支座隔震结构的底层楼层剪力都存在一定的减小现象。随着楼层的不断增加, 结构的剪力都是不断减小的。它们之间存在的唯一差距是, 基础隔震各楼层间的剪力变化基本一致, 而且它们都比同楼层的剪力要小。根据这种情况, 对框架结构设置阻尼支座, 能够使得框架结构的抗震性能变得越来越好。参考图表, 抗震结构的底层楼层剪力为6725.221KN, 基础隔震结构的相应数据为5663.428KN, 层间隔震的底层楼层剪力为5855.726KN。综合分析这些数据, 我们发现层间隔震可以减小地震作用下楼层的剪力, 但是基础隔震的减小幅度更大。综合以上的结果, 在楼层中设置基础隔震都有利于减小楼层的剪力, 但是基础隔震的效果更加明显。

(2) Taft波作用下各个结构层间剪力。在Taft波作用下, 参考上面的图8, 抗震结构的底层楼层剪力为6726..821KN, 基础隔震支座隔震结构的底层楼层剪力为5673.430KN, 层间隔震支座隔震结构的底层楼层剪力为5863.760KN, 通过分析, 这两种隔震结构都可以减小底层楼层的剪力, 但是基础隔震减小的幅度更大。这充分说明了基础隔震降低楼层剪力的能力更强, 更加有利于抗震减震。

(3) 兰州波作用下各个结构层间剪力。在兰州波作用下, 参考图9中的数据, 我们发现, 抗震结构的底层层间剪力为6739.516KN, 基础隔震的底层层间剪力为5674.563KN, 层间隔震的底层层间剪力值为5865.883KN。阻尼支座都可以减小底层楼层的剪力, 但是基础隔震减小的幅度更大。这充分说明了基础隔震降低楼层剪力的能力更强, 更加有利于抗震减震。

4 结论

在这里介绍了算例模型的基本参数、工程概况、隔震支座参数和隔震支座的选型及布置方案等, 通过SAP2000有限元软件建立模型, 然后分别对抗震结构、基础隔震结构以及层间隔震结构进行动力时程分析, 通过数据的对比分析, 最终得出以下的结论: (1) 在框架结构中设置阻尼支座之后, 有利于增大主体结构的自振周期, 让结构的自振周期与建筑场地的卓越周期之间拉开差距, 避免接触到地震的主频带, 进而减小的地震作用的危害。同时, 隔震支座还可以加大隔震层的阻尼, 让主体结构的自振周期加大, 有利于抵御地震作用; (2) 各结构的层间加速度时程曲线具有大约相似的变化范围, 但是随着阻尼支座位置的变化, 楼层加速度的变化趋势是多种多样的。所以地震特性可以影响结构楼层的相对加速度;基础隔震更加有利于减小结构的楼层加速度最大值, 说明了该隔震体系能够更好的降低楼层的加速度; (3) 在采取不同阻尼支座后, 都会让结构隔震层的剪力峰值变得越来越小, 与层间隔震结构相比, 基础隔震结构的减震效果更好。然而隔震层上部的主体结构始终在匀速的改变楼层剪力大小, 而且减小的幅度非常大, 这表示隔震支座的隔震效果以及完全体现出来了; (4) 在采用隔震技术之后, 层间隔震结构上部结构的层间位移变化不是特别明显, 而且数值很小, 这说明隔震效果不是特别的好, 但是考虑基础隔震的影响, 我们发现基础隔震技术能够最大程度的减小楼层的相对位移, 而层间隔震这方面的性能可能稍差, 所以我们最终发现基础隔震针对层间位移而言, 具有更好的隔震效果。

摘要：以六层不规则框架结构为研究对象, 理论阐述基础隔震体系的力学模型, 应用sap2000软件分别计算结构在隔震和抗震设计时的动力时程分析, 比较结构的层间剪力和层间位移等的动力反应参数。通过对比相关的数据, 可以得出基础隔震的布置比较合理。

关键词：不规则结构,隔震,动力分析

参考文献

[1]干洪.计算结构力学[M].合肥:合肥工业大学出版社, 2004.

[2]吴勇.使用PKPM软件对框架结构隔震支座以上部分的设计方法[J].四川建筑科学研究, 2011 (1) .

[3]栗增欣.隔震框架结构的经济性分析[J].工程建设与设计, 2014 (1) .

[4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].

[5]张迪.叠层橡胶支座基础隔震结构计算实用模型及工程应用[D].兰州:甘肃工业大学, 2001.

[6]王迎伟.多层框架结构基础隔震动力分析[D].成都:西南交通大学, 2009.

[7]吴邦照.基础隔震结构的性能分析与研究[D].成都:西南交通大学, 2010.

结构不规则性 篇9

关键词：屈曲约束支撑；结构设计；钢混框架结构；抗震性

一、屈曲约束支撑概述

屈曲约束支撑属于金属类屈服型耗能构件，主要包括核心单元、约束单元以及滑动机制单元，其中核心单元即芯材，是主受力单元，该单元的截面形式较多。屈曲约束支撑能够有效地解决普通支撑受压屈曲的问题，借助构件中的约束单元可以使核心单元的抗弯刚度大幅度增强，进而避免构件出现整体或是局部的屈曲。应用屈曲约束支撑的钢混框架结构，不仅结构本身的整体刚度会有所增加，而且还能进一步提高结构的延性，同时因构件在受压过程中并不会出现屈曲的特性，从而能够最大程度地发挥出钢材的滞回耗能能力。屈曲约束支撑主要由以下几个部分组成，如图1所示。

（一）约束屈服段

由于结构要求屈曲约束支撑能够在反复荷载的作用下屈服，故此，这部分需要使用一些延性比较好的钢材，如A36等。当结构有特殊要求时，则可选用强度较高的低合金钢，如A572GR.50。无论采用何种钢材，其屈服强度值都必须稳定，这样才能确保屈曲约束支撑的可靠性。

（二）非屈服段

通常这部分都是置于套管及砂浆内，它属于约束屈服段的延伸，为了保证该部分能够始终处于弹性阶段工作，需要适当增加构件的截面积。具体可通过增加约束屈服段的截面宽度或是利用焊接加劲的方式来增大截面积。

（三）无约束屈服段

这部分是非屈服段的延伸，一般会穿出套管及砂浆之外，并与钢混框架结构相连接。为了确保现场安装施工方便，基本都是采用螺栓连接，若有特殊要求时，也可采用焊接的方式进行可靠连接。

（四）无粘结可膨胀材料

因受约束机构的作用，在高阶模态的条件下，约束屈服段极有可能出现微小幅度的屈曲。同时屈曲构件本身也需要有足够的空间容许芯材在受到压力荷载作用时膨胀。为此，填充材料与芯材之间就必须留有足够的间隙。硅胶、聚乙烯、橡胶以及乳胶等填充材料能够进一步减少或基本消除芯材受约束段与砂浆间的剪应力，所以这些材料可以作为设计首选材料。

二、屈曲约束支撑在不规则混凝土结构设计中的具体应用

（一）设计要求

在依据相关规范标准要求和试验结果的基础上，屈曲约束支撑要从材料层次、构件层次、结构层次三个方面出发满足其设计要求。

1.支撑核心钢材性能要求

屈曲约束支撑核心必须保证钢材具备较好的延性，达到屈曲约束支撑的性能要求，而不需要必须使用低屈服点钢。一般情况下，核心钢材的性能必须满足以下要求：①强屈比≥1.2；②伸长率≥25%；③冲击韧性必须满足在0℃下吸收27J能量的要求。

（二）设计原则

就不规则混凝土框架结构而言，为了确保其结构的稳定性，并具备良好的抗震性能，最基本的要求是应当在地震发生时，结构在地震波的作用下，有足够的强度作为保障，并且还要有一定的变形能力。而对于节点来讲，则要求其具有较高的强度安全系数，尤其是不规则的钢混框架结构，对节点强度的安全系数要求更高。为此，在对节点进行设计时，应遵循以下原则：其一，节点的强度应大于等于与之相连接构件的强度；其二，结构受到中等地震作用时，节点应当处于弹性范围内工作；其三，当发生强震时，节点强度的降低幅度不得超出柱子的极限承载力；其四，节点配筋的布置应尽可能简单、方便，否则会增大施工难度。

（三）设计步骤

现阶段，虽然我国在屈曲约束支撑与钢混框架结构连接设计方面的研究已经日趋成熟，但是随着建筑结构的不断发展，不规则混凝土框架结构日益增多，而将屈曲约束支撑应用于该结构设计当中的研究相对较少，尤其是对节点构造方面的研究更是少之又少。为了能够使屈曲约束支撑在不规则混凝土框架结构设计中获得推广应用，故此本文将研究的重点放在节点设计上。本文提出的连接方式与钢结构框架中连接支撑系统的梁柱节点类型相近似。主要的区别是在混凝土框架结构当中，节点板一般都是借助预埋件和锚栓与混凝土构件进行可靠连接的，为此，对于屈曲约束支撑钢混框架结构的梁柱节点，可利用现行的钢结构设计规范为依据进行设计。此外，在设计过程中需要重点考虑的是节点与节点各个组成部分，它们不仅需要承受屈曲约束支撑的屈服荷载，并且还必须能够承受支撑的极限荷载，只有这样才能进一步确保支撑体系在地震作用下的延性。具体设计过程如下：

1.　屈曲约束支撑设计。

上式中　表示屈曲约束支撑的层间刚度；　，其中　分别代表钢芯工作段及非工作段的横断截面积；k的取值为0.7-0.9（该取值是扣除构件及节点板所占尺寸的长度系数）；x表示工作段长度系数，可取0.3-0.6；H是结构的层高；E代表钢芯材料的弹性模量。根据抗剪配筋验算结果可知符合设计要求。

2.支撑节点设计。这部分是本设计中最为重要的部分之一，共分为以下三个环节：①连接段设计。为了进一步确保钢芯屈服能够在工作段范围之内，就必须保证在任何条件下非工作段都应当处在弹性工作状态下。为此，在实际设计中，应当充分考虑支撑压拉强度比、屈服强度比值以及钢芯材料的抗拉强度等因素对钢芯承载力的影响，以此来确保连接段的承载力符合设计要求；②节点板与支撑连接的焊缝设计。在没有特殊要求的前提下，节点板与支撑连接可直接采用高强度的螺栓进行可靠连接，若有特殊需要则应采用焊缝连接；③确定节点板的尺寸。节点板的平面尺寸可以在参考一般构造规定的基础上，根据与节点板相连的预埋件和支撑连接段的焊缝长度、焊脚尺寸进行画出。在这其中，保证支撑与梁柱的边缘之间拥有足够的距离，以此避免因焊缝密集程度高而出现节点板过热现象，进而导致节点板脆化。支撑连接段端部到节点板嵌固点在支撑杆件方向的距离必须大于板厚度的2倍。

结论：

总而言之，随着建筑工程的不断增多，不规则混凝土框架结构也必然会随之增多，为了确保此类结构的稳定性和抗震性，应当在结构设计过程中合理应用屈曲约束支撑。通过本文的研究可知，在整个设计过程中，节点设计是最为重要的环节之一。为此，在应用屈曲约束支撑进行设计时应将节点设计作为重点环节，这样有利于确保结构的整体稳定性和抗震性。

参考文献

[1]王华琪.丁洁民.姚兴华.防屈曲支撑理论分析与有限元模拟[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版）.2008（2）.

[2]胡宝琳.李国强.孙飞飞.屈曲约束支撑体系的研究现状及其国内外应用[J].四川建筑科学研究.2007（4）.

[3]罗开海.程绍革.白雪霜.荣维生.屈曲约束耗能支撑力学性能分析[J].工程抗震与加固改造.2007（2）.

[4]王秀丽.周锟.吴长.强震作用下带屈曲约束支撑的K型网壳整体结构性能分析[J].北京交通大学学报.2011（1）.

结构不规则性 篇10

随着我国经济的飞速发展,人民生活水平的逐步提高,人们对房屋建筑的建筑美学、使用功能、场地利用等提出了更高要求,建筑造型及空间布局呈现多样化和复杂化趋势。建筑平面的不规则情况逐渐增多,导致结构布置出现扭转不规则、凹凸不规则、楼板局部不连续(楼板平面刚度突变、错层及开洞等)等各种平面不规则现象。

大量的震害及试验结果表明,地震作用下平面不规则结构尤其是高层结构的受力较为复杂,容易造成局部薄弱部位率先破坏,从而危及整体结构安全。因此,分析讨论平面不规则性对高层结构的不利影响、研究确定相应的结构抗震性能和设计措施具有重要意义。

2 平面不规则

2.1 扭转不规则

结构的水平剪力一般主要由竖向构件承担,当结构受到扭转作用时,离结构刚心距离越远的竖向构件受到的剪力效应越大,造成不同部位间的受力不均匀。如果高层结构在地震作用下扭转效应过大,将在变形较大的竖向构件处首先发生脆性剪切破坏,从而造成结构的整体破坏甚至倒塌。因此,控制结构的扭转不规则是十分重要的。一般情况下可以从以下几方面对结构扭转效应进行估算和控制:

1)合理估计地面运动扭转分量

结构受到地震作用时,除了X、Y、Z3个水平分量外,还存在绕X、Y、Z轴的3个扭转分量,其中绕Z轴的扭转分量将直接对结构产生扭转作用。由于目前对地面运动扭转分量的强震实测记录较少,难以对其进行定量分析,设计中通常采用附加偶然偏心作用的方法予以考虑。《高层建筑混凝土结构技术规程》[1](以下简称《高规》)4.3.3条要求计算单向地震作用时应考虑偶然偏心的影响,以此考虑地震扭转分量及由于施工、使用等因素造成的附加偏心距等因素的不利影响。

2)严格控制结构质心与刚心的偏离程度

当结构的质量中心与刚度中心有较大偏离时,将使结构产生较大的扭转效应。为估算和控制结构偏心布置产生的不利影响,《高规》4.3.2条第二款规定,对于质量与刚度分布明显不对称的结构,应计算双向水平地震作用下的扭转影响;《高规》3.4.5条规定,在考虑偶然偏心影响的规定水平地震作用下,楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移不宜大于该楼层平均值的1.2倍,A类高层不应大于该楼层平均值的1.5倍,B类高层不应大于该楼层平均值的1.4倍。

3)有效保证结构的抗扭刚度不能太弱

结构抗扭刚度较弱时,扭转为主的自振周期将接近平动为主的自振周期,会产生扭转与平动的振动耦联现象,使结构的扭转效应明显增大。为了保证结构抗扭刚度、限制扭转耦联的扭转放大效应,《高规》3.4.5条和《建筑抗震设计规范》[3](以下简称《抗规》)相应条款规定:A类高层结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不应大于0.9;B类高层结构扭转为主的第一自振周期与平动为主的第一自振周期之比不应大于0.85。

2.2 楼板凹凸不规则和局部不连续

高层结构的水平地震力一般由墙、柱等竖向抗侧力构件承担,而水平力在竖向构件之间的传递和分配则受到楼盖整体刚度的影响。在理想的刚性楼板条件下水平力按竖向构件的抗侧刚度进行分配,在理想的柔性楼板条件下水平力按竖向构件的从属面积进行分配。在实际工程设计中对于大多数平面较规则的建筑,可以近似假定楼板在平面内无限刚(无平面内变形),此时水平力按竖向构件的抗侧刚度进行分配;但当楼板比较狭长或有较大的凹入和开洞时,楼板可能产生显著的面内变形,此时宜考虑楼板变形对水平力分配的影响,并采取相应措施对薄弱部位进行加强。

为了明确区分平面规则与平面不规则,合理确定计算假定,规范对楼板的凹凸不规则和局部不连续进行明确限定,即满足以下条件时视为平面不规则:

1)平面狭长,长宽比超过规范限值;

2)平面凹进的尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%;

3)楼板尺寸和平面刚度急剧变化,如:有效楼板宽度小于该层楼板宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%,或较大的楼层错层。

3 工程实例分析

北京某小区住宅,地下2层,地上16层,结构形式为钢筋混凝土剪力墙结构。建筑层高2.75m,总高度为44.3m。抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.2g,建筑场地类别为Ⅲ类,剪力墙抗震等级为二级。该住宅边单元结构标准层平面如图1所示。

3.1 楼板连续性分析

此工程属于竖向规则但平面不规则结构,边单元平面中部Y方向较为狭窄,且楼梯间恰好设置在狭窄部位。设计人员一致认为此结构属于平面扭转不规则和凹凸不规则,但对此结构是否属于楼板局部不连续存在分歧。

一种观点认为:楼梯间虽有楼梯板,但由于楼梯板和楼层板不在同一标高,楼层板在此处处于断开状态,因此楼梯间范围内应认定为楼板开洞。楼梯间处的楼板Y向典型宽度应取轴,即11.78m,而凹口范围(14~16轴)的楼板Y向有效宽度为3.6m,小于该层楼板典型宽度的50%,属于楼板局部不连续。

另一种观点认为:由于楼梯间较小以及楼梯板、梁的支撑作用,楼梯间洞口周边剪力墙围合形成的筒体,具有较好的平面刚度和空间刚度,一方面,极大地限制洞口周边楼板的面内变形,缓解楼板局部应力集中;另一方面,由于楼梯间筒体的整体性较好,水平抗侧刚度较大,分配和传递的水平力也较大,设计中通过加大洞口周边楼板厚度和构造配筋,减小可能的面外凸曲变形,可以较好地保证楼梯间范围楼板的面内整体刚度。此时可以忽略楼梯间对楼板连续性的影响。即使楼梯间按开洞考虑,楼板的Y向典型宽度应取轴,即16.48m,扣减楼梯间及凹口后的有效宽度为10.17m,10.17/16.48>50%,不属于楼板局部不连续。

为研究楼梯间开洞对楼板连续性和结构整体受力的影响,本项目利用PMSAP软件对楼梯间开洞和封板两种情况进行了对比分析。整体计算中对楼板采用弹性膜假定,同时考虑扭转-耦联效应和偶然偏心作用,并对楼梯间周边楼板进行加厚处理(加厚为150mm,如图2阴影范围所示)。

经计算,楼梯间开洞时,X向地震和Y向地震下楼板应力分别如图3、图4所示。

当楼梯间封板时,X向地震和Y向地震下楼板应力分别如图5、图6所示。

由计算结果可以看出:

1)对比楼梯间开洞和封板时的应力分布图,可见两种情况下楼板应力的总体分布特征非常相似;对比两种情况下的该层楼板最大应力,如表1所示,两种情况的楼板最大应力值非常接近(开洞时比封板时应力稍大),仅相差1.2%~2.0%。

kN/m2

2)两种情况下在楼梯间临近范围应力分布有所区别。取应力值较大的楼梯间左侧为例对两种情况进行对比,如表2所示,楼板的应力绝对值变化不大,应力分布不均匀程度略有变化;楼梯间开洞时较封板时的楼梯间四周墙体暗柱配筋稍大,但相差不多。

kN/m2

上述分析表明本项目楼梯间开洞对结构整体地震反应、楼板整体传递水平力能力影响不大。设计中可以通过加大楼梯间周边楼板厚度和构造配筋、加大楼梯间筒体的剪力墙和暗柱配筋等措施,减小洞周楼板可能的面外凸曲变形,保证楼板面内整体刚度,保证墙肢的抗剪能力和延性要求。此时可以忽略楼梯间对楼板连续性的影响,认定本项目不属于楼板不连续情况。

3.2 结构抗扭措施及效果分析

此工程属于竖向规则但平面不规则结构,建筑外墙开窗比例较高,对外墙侧向刚度削弱较大,造成结构整体抗扭刚度偏小。初步设计整体计算时,周期比及位移比均超出规范要求。由于此工程受到各种条件限制,建筑凹口部位做法及楼梯间平面位置较难更改。为了减小结构扭转效应,保证结构安全,设计中采取了以下计算及构造措施:

1)经与建筑专业协商,在满足建筑功能的条件下,增加外墙个别墙肢的剪力墙长度;根据建筑外窗高度,尽可能将外墙连梁加高,提高外围抗侧力构件的刚度,从而提高整个结构的抗扭刚度。

2)通过调整内墙洞口的位置及大小,改变结构刚心平面定位,使结构质心与刚心尽量接近,以减小结构偏心布置产生的扭转效应。

3)弱化平动刚度,强化抗扭刚度。减小除凹口位置以外的内墙长度,增大结构第一平动周期,从而减小扭转周期比,减弱扭转—耦联效应的不利影响。

4)结构整体计算时,为了更真实地反映结构扭转效应,对楼板采用弹性膜假定,同时考虑扭转—耦联效应和偶然偏心作用,计算结果取双向地震作用和单向地震作用的最不利情况。

5)楼层平面凹入、楼梯间洞口等改变了楼板的水平力传力路径,会在楼板局部造成应力集中,在施工图设计时,为了增加薄弱部位的抗震延性,减缓楼板开裂及可能的面外凸曲变形,对楼层凹口部位楼板、楼梯间周边楼板采取适当增加板厚、双层双向配筋的加强措施;并在兼顾建筑外观要求前提下,在凹口部位增加了连接两侧结构的拉梁(按受拉构件设计),以增强薄弱部位的整体性。

6)楼板薄弱部位对竖向构件的内力分布造成一定影响,楼板凹入、楼梯间洞口等部位墙体承受和传递较大水平力。在施工图设计时,通过适当增加凹口部位及楼梯间筒体的剪力墙和暗柱配筋,提高墙体抗剪能力及延性,提高结构在中震和大震下的安全度。

本项目采取上述调整措施后,分别采用SATWE和PMSAP两种程序进行结构整体计算,计算结果如表3、表4所示。计算结果表明,调整后的结构自振特性比较理想,第一、二周期均为平动,扭转周期比均小于0.9,位移比等其他各项指标得到明显改善,并全部满足规范要求。

4 结语

本文讨论了高层建筑的平面不规则问题,并结合工程实例对楼板连续性和结构抗扭措施及效果进行了分析,得出以下有益的结论和建议:

1)由平面不规则产生的扭转效应对结构安全和抗震性能影响较大,设计中可以通过合理估计地面运动扭转分量、严格控制结构质心与刚心的偏离程度,有效保证结构的抗扭刚度等方法,对结构扭转效应加以估算和控制。

2)有些项目的楼梯间开洞对结构整体地震反应、楼板整体传递水平力能力影响不大,此时可以忽略楼梯间对楼板连续性的影响,但设计中应通过加大楼梯间周边楼板厚度和构造配筋、加大楼梯间筒体的剪力墙和暗柱配筋等措施,减小洞周楼板可能的面外凸曲变形,保证楼板面内整体刚度,保证洞周筒体的抗剪能力和延性要求。

3)实际工程设计中,通过增加外围墙体抗侧刚度、减小内墙抗侧刚度、调整墙体开洞使刚心接近质心、采用合理的计算假定和参数设置、加强薄弱部位的楼板和竖向构件等计算及构造措施,可以明显减弱结构扭转效应,有效改善结构抗扭性能。

摘要：讨论了某高层结构的平面不规则问题,总结了结构扭转效应的估算和控制方法,并结合工程实例对楼板连续性和结构抗扭措施及效果进行了分析,得出的结论可为相关工程设计提供有益参考。

关键词：平面不规则,扭转效应,楼板连续性,抗扭措施

参考文献

[1]JGJ3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[S].